Le fer, élément atomique n°26 de symbole Fe : ses caractéristiques, ses fonctions, sa chimie, son histoire et ses utilisations

Le fer : physico-chimie nucléaire, isotopes et fréquence

Le ⁵⁶Fe constitue le nucléide stable le plus lourd provenant de la fusion du silicium grâce à des réactions alpha. Cela se passe durant la nucléosynthèse stellaire du ⁵⁶Ni instable qui donne du ⁵⁶Fe suite à deux désintégrations β+ successives. Des réactions plus énergétiques synthétisent les éléments avec un numéro atomique plus élevé. Elles interviennent notamment dans l’explosion des supernovas.

Ses propriétés nucléaires

Le noyau du fer 56 dispose de la masse par nucléon la moins élevée parmi tous les nucléides. Cependant, il ne possède pas l’énergie de liaison la plus accrue. Cela est dû à la proportion de protons un peu plus grande que le nickel 62, dont l’énergie de liaison par nucléon est la plus importante.

Le ⁵⁶Fe est issu de la désintégration naturelle du ⁵⁶Ni. Il s’agit d’un isotope stable produit au sein d’étoiles massives grâce à la fusion du silicium. Cela se fait durant les réactions α en cascade qui s’arrêtent au nickel. En effet, comme mentionné auparavant, ce dernier dispose de l’énergie de liaison nucléaire par nucléon la plus élevée. Si l’on fait poursuivre la fusion, il est possible de produire du ⁶⁰Zn. Cependant, cela consomme de l’énergie au lieu d’en libérer.

Ses isotopes

Le fer possède 28 isotopes connus et six isomères nucléaires. Leur nombre de masse se situe entre 45 et 72. Seuls quatre de ses isotopes sont stables : le ⁵⁴Fe, le ⁵⁶Fe, le ⁵⁷Fe et le ⁵⁸Fe. Le second est notamment le plus abondant (91,754 %). Le premier est le suivant, avec un pourcentage de 5,845 %. Il est légèrement radioactif avec une demi-vie allant au-delà de 3,1 × 10²² années. Le ⁵⁷Fe est le troisième avec une abondance de 2,119 %, tandis que le ⁵⁸Fe se place en dernier avec 0,282 %. La masse atomique standard du fer est de 55,845. Le radio-isotope le plus stable de l’élément est le ⁶⁰Fe. Il dispose d’une demi-vie de 1,5 million d’années. Le ⁵⁵Fe est le suivant avec 2,7 ans. Vient ensuite le ⁵⁹Fe disposant d’un peu moins de 44,5 j de demi-vie, suivi du ⁵²Fe avec 8,5 h.

Les fonctions de la substance dans la biosphère

Le rôle de cet élément chimique en tant qu’oligoélément et micronutriment est majeur pour une multitude d’espèces vivantes. Il s’agit d’une substance qui régule l’amplitude et la dynamique de la productivité primaire océanique. Il représente ainsi une composante incontournable des cycles biogéochimiques marins et des puits de carbone marins.

Selon les études réalisées, le cycle du Fe océanique lié aux apports de poussières riches en cet élément est bien plus complexe. Ainsi, il se trouve étroitement couplé biogéochimiquement avec des nutriments majeurs (carbonés, azotés).

En 2017, une théorie a pu être démontrée grâce à des recherches menées dans les régions pauvres en fer de l’Antarctique. L’élément issu du rabotage des roches par les glaciers constitue une source alternative de Fe que les phytoplanctons savent exploiter. Certains de ces derniers peuvent notamment bénéficier d’un taux élevé de CO₂. Cependant, pour l’assimiler, le fer leur est indispensable. De nombreux chercheurs ont pensé depuis la fin du XX^e siècle que l’ensemencement de l’océan avec l’élément contribue à réduire le changement climatique. Chez la plupart des espèces phytoplanctoniques, ce Fe n’est assimilable qu’en présence de carbonates. Néanmoins, le problème est que l’acidification induite par la solubilisation du CO₂ dans l’eau anéantit ces derniers.

Le corps simple

Le fer est sujet au polymorphisme métallique. Cela dépend de certaines conditions. Il peut aussi s’oxyder. Voici quelques détails.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques du Fe dépendent de la température et de la pression. À cet effet, il peut présenter un polymorphisme en fonction de la chaleur. L’allotropie distingue que dans les conditions normales de température et de pression, on obtient un solide cristallin de structure cubique centrée. On parle notamment de fer α, une structure dénommée ferrite dans l’acier. Celui-ci est relativement ferromagnétique. Sous l’influence d’un champ magnétique externe, les moments magnétiques des atomes s’alignent. Après disparition de ce champ, ils conservent l’orientation issue du procédé. La température de Curie de ce type de Fe est de 770 °C, avec une capacité calorifique de 0,5 kJ.kg^-1 °C^-1. À température ambiante, la dureté de l’élément se situe entre quatre et cinq sur l’échelle de Mohs. Sa masse volumique est de 7,86 g/cm^-3 à 20 °C. Le fer α dispose d’une chaleur de sublimation atomique de 99,6 kcal/atome-gramme à température ambiante (298 K).

Quant au ferromagnétisme du Fe α, il disparaît sans réarrangement atomique. De structure cubique face centrée, le fer bêta est acquis au-delà du point de Curie, soit vers 770 ºC ou 1 042 K.

Sous de hautes températures et à pression ambiante, soit à compter de 912 °C, le fer alpha se transforme en Fe cubique à faces centrées. Il s’agit du fer γ (sa solution, additionnée à du carbone dissous, s’appelle « austénite »). La transformation requiert une variation d’énergie interne de près de 0,22 kcal/atome-gramme à 1 184 K. Il faut noter que le Fe γ est paramagnétique.

Au-delà de 1 394 °C ou de 1 665 K, le Fe α redevient un minéral de maille cubique centrée, sous forme de Fe δ. La variation d’énergie interne est estimée à 0,27 kcal/atome-gramme.

Pour aboutir à une transformation en fer ε, une structure hexagonale compacte, la température doit atteindre les 130 kbar. 

Le corps pur de l’élément fond à 1 538 °C. La chaleur latente de fusion, quant à elle, est de 3,7 kcal/atome-gramme. L’ébullition du Fe se caractérise par une chaleur latente de 84,18 kcal/atome-gramme. Elle arrive une fois que l’élément est exposé à une température de 2 860 °C. Pour un corps simple relativement impur, cela se situe entre 2 750 °C et 3 000 °C.

Propriétés chimiques

Le fer est insoluble dans l’eau ainsi que dans les bases. Par contre, les acides peuvent l’attaquer. Voici plus de détails sur ses propriétés chimiques.

Les ions du fer en solution aqueuse

La raison de la coloration orangé-rougeâtre d’une rivière est la présence d’ion ferrique Fe(III) ou Fe³⁺ dans les roches.

En solution aqueuse, le fer est présent sous forme ionique avec deux valences principales. Tout d’abord, on a le Fe²⁺ ou l’ion Fe(II) connu anciennement sous l’appellation « ferreux ». Selon le milieu chimique en solution dans lequel il se trouve, il peut prendre différentes couleurs. Ainsi, par la dissolution de sel de Mohr on obtient par exemple une couleur vert pâle. La solution est stable pour les pH inférieurs à six. Pour ceux qui sont supérieurs, l’hydroxyde de Fe(II) Fe(OH)₂ précipite.

Ensuite, on a le Fe³⁺ anciennement connu sous le nom de « ferrique ». Les solutions de chlorure de Fe(III) sont orange. En revanche, celles de nitrate de Fe(III) sont incolores. Elles doivent notamment avoir un pH inférieur à deux, vu que le Fe(OH)₃ est peu soluble.

La précipitation

Il existe plusieurs ions qui peuvent mener à la précipitation de ceux du fer en solution. On peut par exemple citer l’hydroxyde HO^–. Il est possible de former du sulfure de Fe(II) et (III), respectivement FeS et Fe₂S₃, avec l’ion sulfure S^2-. Cela est valable pour des pH pas trop acides. À l’évidence, il faut une quantité raisonnable de S^2-, alors que ce n’est pas le cas à pH acide. En effet, l’ion est sous sa forme diacide en tant que sulfure d’hydrogène (H₂S).

L’oxydoréduction des ions du fer

Les potentiels de référence des couples du fer sont les suivants :

Fe²⁺/Fe : E° = -0,44 V

Fe³⁺/Fe²⁺ : E° = +0,77 V

Grâce à cela, on peut conclure que le Fe métallique n’est pas stable en milieu aqueux. Plus le pH est bas, plus il s’oxyde vite.

En outre, on sait qu’en présence de dioxygène dissous, E°(O₂/H₂O) = 1,3 V. Les ions Fe(II) ne sont pas non plus stables. Les potentiels de référence varient selon les ions présents dans la solution. Cela arrive surtout lorsque les constantes de stabilité complexes correspondant en Fe(II) et en Fe(III) sont relativement différentes.

L’oxydoréduction aide à tirer les ions Fe(II) par des ions cérium(IV) (couple Ce⁴⁺/Ce³⁺). Cela peut aussi se faire avec des ions permanganate MnO^4- (couple MnO^4-/Mn²⁺ en milieu acide sulfurique). On pratique rarement la réduction en Fe métallique des ions du Fe à partir de solutions aqueuses.

La complexation des ions fer

Toujours concernant le fer, une multitude de complexes en solution aqueuse se forment aisément juste par addition du ligand. Cela doit, cependant, se faire au bon pH.

Les complexes les plus courants sont ceux qui impliquent des ligands. On a par exemple l’ion cyanure CN^–. Pour le Fe(II), on a du Fe(CN)^64-, un ion hexacyanoferrate(II) et diamagnétique jaune. Pour le Fe(III), on a du Fe(CN)^63-, un ion hexacyanoferrate(III) et paramagnétique orange. Ces complexes servent notamment à préparer le bleu de Prusse.

Avec l’ion fluorure F^–, pour le Fe(III), on a du FeF²⁺, un ion fluorofer(III) incolore. En chimie analytique, il est possible de marquer la couleur des ions Fe(III) avec ce complexe.

Ensuite, avec 1,10-phénantroline (o-phen en abrégé), on a, pour le Fe(II), du Fe(ophen)³²⁺ rouge et des ions triorphophénantrolinefer(II). Pour le Fe(III), on a du Fe(ophen)³³⁺ vert et des ions triorphophénantrolinefer(III). Le couple redox avec ces deux complexes agit comme un indicateur de titrage d’oxydoréduction.

Enfin, avec les ions thiocyanate SCN^–, pour le Fe(III), on a du Fe(SCN)²⁺ rouge sang et un ion thiocyanatofer(III). Ce complexe aide à mettre en évidence une quantité minime d’ions de Fe(III) en solution grâce à une couleur spécifique.

La chimie organométallique

Le premier complexe organométallique, isolé en 1951, est celui du fer appelé « ferrocène ». Il se compose d’un ion Fe(II) et de deux ions cyclopentadiényles C₅H^5-. Les autres complexes produits plus tard sont dérivés du ferrocène ou de toute autre nature.

L’histoire de la métallurgie de l’élément

L’élément est connu depuis le chalcolithique. Cela s’est fait à travers les sites de Fe telluriques et notamment les météorites de Fe au Fe habituellement déjà allié de grande qualité. On ne peut pas affirmer que sa métallurgie est restée confidentielle même si l’on a pu l’estimer jusqu’au XII^e siècle av. J.-C. Cette époque marque notamment le début de l’Âge du fer vers le XV^e siècle av. J.-C. Les Hittites, situés en Anatolie, ont développé une maîtrise assez bonne du travail de l’élément. L’origine de la tradition se trouve dans la région Caucase. Cependant, cette technique est également connue assez tôt dans l’Inde du Nord (dans l’Uttar Pradesh).

Dans le monde hellénistique, cet élément est un cadeau d’Héphaïstos. Ce dernier est le dieu grec de la métallurgie et des volcans. Par contre, selon les Romains, Vulcain, avatar italique d’Héphaïstos, est celui qui l’a forgé. Il constituerait également un attribut princier de Mars. Dans la mythologie romaine, il s’agit du dieu de la guerre. Les alchimistes ont alors donné son nom au fer.

Jusqu’au milieu du Moyen Âge, l’Europe raffina la substance par le biais de bas fourneaux qui ne produisent pas de fonte. La technique inverse (de hauts fourneaux) produit, quant à elle, de la fonte brute grâce à du charbon de bois et du minerai de Fe. Le peuple chinois a notamment mis au point cette dernière technique au milieu du V^e siècle av. J.-C. Elle est ensuite devenue courante en Europe occidentale à partir du milieu du XV^e siècle.

Plus d’un millier d’années après les Chinois, les Occidentaux réinventent indépendamment la technique. D’après le doxographe antique Théophraste, Délas, un Phrygien, est celui qui a inventé le fer.

Les chimistes ont tendance à négliger les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron. Cela concerne notamment le martelage, le réchauffement, les alliages superficiels, etc. La chimie du Fe oublie souvent l’appréciation relativement fine des forgerons ou des mares de forges durant la longue histoire de l’élément.

L’industrie du fer

Le Fe est recyclable. En revanche, son extraction agit grandement sur l’environnement. Voici davantage de détails sur l’industrie de cet élément.

L’extraction de minerais de fer

Le tableau suivant énonce la production minière mondiale de minerai de fer, par pays, aux dernières nouvelles (en 2021).